一種新型的表面肌電檢測與訓練系統的軟硬件設計

摘要：表面肌電檢測與訓練系統是開(kāi)發(fā)出來(lái)用于保健、訓練、檢測，提高人民生活水平的產(chǎn)品。它具有實(shí)用性、便攜性，易于操作。表面肌電檢測與訓練系統由兩個(gè)主要平臺構成；PC計算顯示存儲平臺和下位機采集、顯示、傳輸、存儲平臺。下位機硬件為ARM7數字處理中心和前端放大濾波模擬處理電路；下位機軟件為帶觸摸屏的嵌入式系統，有USB傳輸、WiFi無(wú)線(xiàn)傳輸，SD儲存等模塊，方便高效。上位機實(shí)現對肌電信號的非線(xiàn)性動(dòng)學(xué)分析和反饋治療訓練。這個(gè)系統具有可行性和靈活性，可用于更深層次的研究。
關(guān)鍵詞：表面肌電；USB；SD卡；非線(xiàn)性動(dòng)學(xué)分析

0 引言
肌電是人體肌肉、神經(jīng)興奮產(chǎn)生生物電的結果。利用肌電信號可以達到很多目標，例如利用肌電控制假肢、肌電刺激治療肌肉萎縮、在體育活動(dòng)中診斷肌肉力量和肌肉疲勞等。表面肌電則是從人體皮膚表面通過(guò)電極記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉的生物電信號，具有無(wú)創(chuàng )性，操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，有著(zhù)廣泛的應用前景。該系統檢測接口人簡(jiǎn)單方便，易于讓人接受，小型實(shí)用低功耗。下面主要介紹表面肌電檢測與訓練系統的下位機軟件的設計與實(shí)現。

1 表面肌電檢測與訓練系統的總體設計
系統設計分前端模擬放大電路，AT91SAM7SE512下位機編程和上位機軟件。

系統的主要技術(shù)環(huán)節由模擬前端、A／D采樣、數據存儲與顯示、USB 2．0數據傳輸、無(wú)線(xiàn)數傳、軟件分析與反饋治療等6大部分構成，如圖1所示。

2 前端模擬放大和A／D采樣電路設計
微弱信號放大是保證整個(gè)系統性能的基礎，其設計要點(diǎn)是高輸入阻抗，高增益，寬頻帶，低噪聲，高共模抑制比，能在有效放大表面肌電信號的同時(shí)抑制各種噪聲信號?；趕EMG信號的特點(diǎn)，ISEK和SENIAM都建議不要采用50 Hz陷波器，所以該系統中選用高共模抑制比的INA 129作為前置放大，以盡可能消除工頻干擾。為防止由于共模信號引起的飽和，引入參考電極，使用右腿驅動(dòng)技術(shù)。采用OPA2277構成右腿驅動(dòng)、濾波和放大單元。為了提高精度，前端模擬放大部分已經(jīng)盡量接近測試端，然后再傳到主放大板。
AD與主放大板對主控制板SPI接口信號進(jìn)行隔離后，控制AD器件ADS8513對放大后的表面肌電進(jìn)行采樣。表面肌電信號主要由OPA2277進(jìn)行濾波放大。板上為雙通道表面肌電放大器，經(jīng)四階低通、二階高通濾波，有效帶寬20～500Hz，放大到4 000～20 000倍。前置放大由INA129構成，并以OPA2277構成共模負反饋電路，以提高測量的總共模抑制比。前置放大板與AD與主放大板之間借用IEEE 1394線(xiàn)纜連接。

3 數據存儲與顯示
系統采集的sEMG數據可以直接存儲于本地的SD卡，需要基于嵌入式系統進(jìn)行SD卡驅動(dòng)的設計和FAT32文件系統的實(shí)現。移植FatFs Modu le以先寫(xiě)一個(gè)最簡(jiǎn)單的測試讀／寫(xiě)512 B的讀／寫(xiě)程序，然后再包裝給上層的文件系統進(jìn)行調用。
與UIGUI的接口，就是引用ff．h中的讀寫(xiě)文件函數。例如，要讀文件目錄，則用f_readdir(＆dlist，＆finfo)寫(xiě)一個(gè)遞歸函數，能夠讀出SD卡里面所有的文件名。讀出的文件名就可以直接地放在GUI的應用函數里。

4 USB 2．0數據傳輸
采集的數據可實(shí)時(shí)傳送到上位機，也可經(jīng)USB 2．0接口將存儲于SD卡中的數據傳送到上位機。為此，需在下位機設計USB 2．0接口，上位機沒(méi)計USB2．0設備驅動(dòng)程序。USB高速穩定，易插拔，能夠方便地應用在電子產(chǎn)品上。USB使用簡(jiǎn)單，但是編程復雜。首先要熟悉USB的工作流程，USB的設備請求格式由8個(gè)字節組成。分別為設備請求類(lèi)型，設備請求，數值，值，索引，長(cháng)度。下位機從電腦中獲取標準命令，然后下位機通過(guò)void userDriver_RequestHandler(const USBGenericRequest*request)來(lái)選出所要的命令。USB傳輸如圖2所示。

下位機用中斷來(lái)響應上位機的命令，在枚舉時(shí)就開(kāi)始屏蔽下位機的顯示屏和觸摸屏的觸摸檢測。然后上位機發(fā)送來(lái)采樣的信號后，就開(kāi)始創(chuàng )建任務(wù)，傳輸數據。上位機傳來(lái)停機的命令后，就讓采樣和傳輸仟務(wù)自動(dòng)刪除，同時(shí)釋放下位機的顯示屏和觸摸屏的觸摸檢測。

5 無(wú)線(xiàn)傳輸
系統連接PC時(shí)可選無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)兩種，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在日常生活中的應用很多，如可以在出差途中直接連上英特網(wǎng)。在醫療保健設備中如果能用上無(wú)線(xiàn)設備，那么它的靈活，便于攜帶，遠程監控等作用就可以很好地表現出來(lái)。在這個(gè)系統中采用了WiFi無(wú)線(xiàn)設備。
Nano WiReach能夠實(shí)現串口透明WiFi傳輸，配置合理的參數，如合理發(fā)送的數據包大小和發(fā)送間隔，努力使得滿(mǎn)足數據傳輸的速率和正確性下，減輕傳輸部件的負擔。用算法保證一定的正確性，減少TCP＼IP包重傳的可能性。
編程流程如圖3所示。

6 軟件分析與反饋治療
軟件分析與反饋治療是整個(gè)系統功能的具體體現，實(shí)現功能評估與反饋治療兩大部分功能。功能評估以表面肌電作為監控設備，對增強或減弱肌肉的生物電活動(dòng)、是否緩解肌強直癥狀、是否使肌肉靜息電位恢復正常的治療有明確的評估標準。反饋治療通過(guò)由表面肌電信號分析結果驅動(dòng)的卡通動(dòng)畫(huà)信號或聲音反饋給人體的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)被直接感知，引導受試者有意識地進(jìn)行學(xué)習和生理活動(dòng)的自我調節，以實(shí)現自我控制，達到防病治療之目的?？衫梅答佭M(jìn)行肌肉放松訓練、興奮性訓練(肌力增強訓練、肌肉耐力訓練)、協(xié)調性及精準性訓練、上／下肢、主／被動(dòng)康復訓練等。
軟件部分需要對獲取的sEMG信號進(jìn)行處理和分析，首先是預處理，包括濾波(去除心電干擾和50Hz工頻干擾)、全波整流(RMS方法)、正則化(Maximum Voluntary Contraction．MVC)等，然后是時(shí)域參數提取(包括Peak．Mcan，Arca／IEMG)、頻域參數提取(包括Mean Frequency，Median Frequency，Peak Power)，其他還包括Time to Peak計算、Onset／Offset計算(計算Onset時(shí)間和Offset時(shí)間來(lái)反應神經(jīng)傳導速度)等。另外，擬進(jìn)行非線(xiàn)性參數的提取和相關(guān)的實(shí)驗研究，包括基本尺度熵、多重分形分析等非線(xiàn)性參數的提取，以及這些非線(xiàn)性參數與各種神經(jīng)肌肉系統特件的相關(guān)性研究等。軟件連接時(shí)可以進(jìn)行有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的連接，界面如圖4所示。

游戲功能和數據顯示如圖5，圖6所示。其中系統采集輸入是雙通道的，界面采用VC編程。

7 結語(yǔ)
隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，對醫療保健產(chǎn)品需求會(huì )變大，同時(shí)對產(chǎn)品的要求也會(huì )更高，肌電近年來(lái)的研究在不斷加深，表面肌電訓練與檢測系統能夠對肌電信號進(jìn)行檢測，同時(shí)還可以幫助進(jìn)行訓練，是一個(gè)實(shí)用的系統。表面肌電訓練與檢測系統是基于A(yíng)RM平臺的系統，小型，功能完善，而且采用UCOS操作系統，方便以后功能拓展，便于維護和使用。